Partikel Detektor berbasis Webcamdigilib.uinsgd.ac.id/31813/6/Modul 6 - Webcam Particle...dapat...
Transcript of Partikel Detektor berbasis Webcamdigilib.uinsgd.ac.id/31813/6/Modul 6 - Webcam Particle...dapat...
Modul6
PartikelDetektorberbasisWebcam
6.1Pengantar
Tujuan dari dokumen ini adalah untuk menggambarkan penggunaan webcam komersial
sebagai detektor partikel. Kami akan menunjukkan bahwa, dari webcam biasa, seseorang
dapat membuat detektor "biaya rendah" untuk dapat mendeteksi partikel beta, radiasi
gamma dan sinar kosmik. Perangkat ini dapat digunakan untuk membuat eksperimen
menarik di radioaktivitas dan membuat pengukuran kualitatif sumber radioaktif.
6.2Radioaktivitas
Radioaktivitas adalah fenomena dimana beberapa inti atom, tidak stabil, berubah
menjadi partikel atom jenis lain dan memancarkan radiasi. Radioaktivitas tidak diciptakan
oleh manusia, tetapi sebaliknya, manusia terus terkena radioaktivitas dari saat
kemunculannya di Bumi. Radioaktivitas adalah setua alam semesta dan hadir di mana-mana:
di Bintang, Bumi dan di tubuh kita sendiri.
Isotop yang terjadi di alam yang paling stabil. Namun, beberapa isotop alami, dan hampir
semua isotop buatan, memiliki inti tidak stabil, karena kelebihan proton dan/atau neutron.
ketidakstabilan menyebabkan transformasi spontan menjadi isotop lain, dan transformasi ini
disertai dengan emisi partikel. isotop ini disebut isotop radioaktif atau radioisotop, atau
radionuklida.
Transformasi radioaktif dari atom timbal untuk produksi atom lain, yang juga dapat
bersifat radioaktif atau stabil. Hal ini disebut peluruhan radioaktif atau disintegrasi. Rata-rata
waktu yang dibutuhkan untuk menunggu perubahan tersebut bisa sangat pendek atau sangat
panjang. Dikatakan "hidup rata-rata" dari radioisotop, dan dapat bervariasi dari sepersekian
detik hingga miliaran tahun (misalnya, kalium-40 memiliki kehidupan rata-rata 1,8 miliar
tahun). Selain itu karakteristik radioisotop adalah "waktu setengah", yaitu waktu yang
dibutuhkan untuk setengah dari atom radioaktif awalnya mengalami transformasi spontan.
Ada tiga jenis peluruhan radioaktif, yang berbeda dari jenis partikel yang dipancarkan
sebagai akibat dari pembusukan: partikel Alpha, Beta partikel dan radiasi Gamma.
Gambar 1.
Radioaktivitasalpha(α)
Partikel alpha, sinar alpha adalah bentuk radiasi pengion dengan penetrasi yang rendah
karena interaksi dengan penampang atau permukaan benda. Partikel Alpha terdiri dari dua
proton dan dua neutron terikat bersama oleh gaya kuat, mirip dengan inti 4He. Dari sudut
pandang kimia mereka juga dapat diidenti�ikasi dengan simbol 4He++. Peluruhan beta
dimediasi oleh gaya lemah, sedangkan peluruhan alpha dimediasi oleh gaya kuat.
Partikel Alpha biasanya dipancarkan dari nuklida radioaktif dari unsur-unsur berat,
misalnya isotop uranium, thorium, radium, dll, dalam proses yang disebut peluruhan alpha.
Kadang-kadang peluruhan atom ini meninggalkan inti dalam keadaan tereksitasi, dan
akibatnya kelebihan energi dapat dihapus dengan emisi sinar gamma. Partikel alpha, karena
muatan listrik mereka, sangat berinteraksi dengan materi dan oleh karena itu mudah diserap
oleh material dan dapat melakukan perjalanan hanya beberapa sentimeter di udara.
Radioaktivitasbeta(β)
Radiasi beta adalah bentuk radiasi pengion yang dipancarkan oleh berbagai jenis inti
radioaktif. Radiasi ini didasari oleh partikel beta (β), yang disebut elektron energi tinggi atau
positron, dilepaskan dari inti atom dalam proses yang dikenal sebagai peluruhan Beta. Ada
dua jenis peluruhan beta, β- dan β+, yang memancarkan elektron atau positron.
Dalam peluruhan β-, satu neutron diubah menjadi proton, elektron dan antineutrino
(anti-partikel neutrino):
n→p+e−.+v̄e
Dalam peluruhan β+ (di proton inti besar), satu proton berinteraksi dengan muatan
antineutrino untuk menghasilkan neutron dan positron (peluruhan langsung proton dalam
positron belum diamati secara eksperimen):
p+v̄−.→n+e
+¿
Karena kehadiran neutrino, atom dan partikel beta biasanya tidak mundur dalam arah
yang berlawanan. Peluruhan beta dimediasi oleh gaya nuklir lemah. Interaksi partikel beta
dengan materi umumnya mencapai panjang sepuluh kali, dan interaksi pengion sama dengan
sepersepuluh dibandingkan dengan interaksi partikel alpha. Mereka benar-benar dapat
diblokir menggunakan beberapa milimeter aluminium.
Radioaktivitasgamma(γ)
Dalam �isika nuklir, sinar gamma (sering dilambangkan dengan huruf kecil huruf Yunani
γ sesuai) adalah bentuk radiasi elektromagnetik pada energi tinggi, yang dihasilkan oleh
pembusukan atau proses subatom. Sinar gamma adalah radiasi paling kuat sehingga mampu
menembus lapisan logam tebal dibandingkan dengan peluruhan alpha dan beta, karena
cenderungan berinteraksi lebih rendah dengan materi.
Sinar gamma dan sinar X dibedakan berdasarkan sumber mereka: sinar gamma
diproduksi oleh transisi subatomik nuklir atau lainnya, sementara sinar X diproduksi oleh
transisi energi karena elektron bergerak cepat di tingkat energi terkuantisasi mereka. Karena
dimungkinkan untuk beberapa transisi elektronik melebihi energi dari beberapa transisi
nuklir, energi sinar-x lebih tinggi dan tumpang tindih dengan sinar gamma yang lemah.
Kameraweb
Webcam (kamera web) dapat digunakan sebagai detektor partikel, setelah beberapa
modi�ikasidiubah. Dengan catatan bahwa perubahan yang dilakukan harus reversibel
sehingga dapat mengembalikan fungsi asli ketika diperbaiki. Di dalam webcam, hadir sensor
CMOS yang merupakan elemen yang sensitif terhadap cahaya atau radiasi elektronik lainnya.
Sensor CMOS secara praktis didasari oleh matriks-matrik piksel, dimana setiap pixel adalah
fotodioda dan konversi sirkuit/ampli�ier yang mengubah muatan berasal dari dioda menjadi
tegangan listrik yang dibaca, pixel per pixel, dan kemudian di digitalisasi menjadi nilai
numerik mulai dari 0 sampai 255. Untuk memilih warna warna spesi�ik, Filter cahaya (merah,
hijau dan biru) diposisikan di atas setiap pixel, sehingga menghasilkan "mosaik" piksel
berwarna, maka gambar diproses pada waktu yang tepat (interpolasi) untuk merekonstruksi
gambar asli.
Gambar 2
Elemen aktif yang sensitif terhadap radiasi partikel, adalah fotodioda, skematis
diperlihatkan pada Gambar 2 dan 3. Partikel pengion masuk ke daerah sensitif dari “atas
jendela” dan menghasilkan dalam bagian yang beberapa pasang ratus elektron/hole yang
dikumpulkan oleh katoda/anoda dari dioda dan menghasilkan sinyal yang kemudian
didigitalisasi.
Kami memberikan beberapa data dari literatur tentang sensor dioda (solid state):
SiliconBangGap=1.115eV
PasanganEnergiProduksie/h(300°K)=3,62eV
Elektronionisasilistrik=80e/m
Gambar 3.
Seperti yang Anda lihat dari data yang ditampilkan di atas, elektron yang berjalan 10 m
menghasilkan sekitar 1000 muatan, dan dengan demikian sinyal mudah terdeteksi
menggunakan chip dioda.
Sebenarnya sensor CMOS tidak dioptimalkan untuk mendeteksi radiasi partikel dan oleh
karena itu e�isiensi deteksi agak rendah, terutama karena fakta bahwa wilayah sensitif yang
merupakan penipisan lapisan persimpangan sangat tipis. Partikel-partikel alpha tidak
terdeteksi karena sensor dilindungi oleh lapisan kaca (atau bahan transparan lainnya) yang
benar-benar menghalangi partikel alpha. Partikel beta sebagian diserap oleh permukaan
perlindungan tetapi persentase yang tinggi mencapai bagian sensitif dan terdeteksi. Sinar
kosmik, adalah partikel muon energi tinggi, yang terdeteksi praktis 100%. Untuk radiasi
gamma sensitivitas agak rendah dan tampaknya lterdeteksi ebih besar pada energi partikel
yang rendah, ini juga karena ketebalan daerah sensitif dari sensor CMOS yang tipis.
Sensor CMOS di Logitech C270 webcam �itur data sebagai berikut:
Resolusisensor=1280x960
PixelDimensi=2,8mx2,8m
SensorDimensi=3,5mmx2,7mm
daerahsensor=9,45mm2
Resolusigambar=640x480
GambarPixelDimensi=5,6mx5,6m
Gambar 4 dan Gambar 5
Memodi�ikasiwebcam
Memodi�ikasi Webcam sangat sederhana. Pertama, cover depan harus dihilangkan
dengan obeng, kemudian membongkar dasar yang mendasari dengan menghapus tiga sekrup
kecil. Webcam terbuka ditunjukkan pada gambar 4 dan 5:
Untuk mencegah bahwa sensor CMOS terkenai cahaya LED lebih baik untuk melepas
LEDnya dengan pemotong kawat atau dengan solder. Selain itu, lensa webcam juga harus
dilepaskan seperti yang terlihat pada Gambar 4 dan 5.
Untuk menghindari bahwa sensor CMOS tercapai oleh cahaya ambient perlu untuk
secara memadai melindungi permukaan sensor cahaya dengan lembar aluminium dan
perekat, seperti yang ditunjukkan pada gambar 4 dan 5. Pada akhirnya tutup webcam dapat
dipasang lagi, dan webcam sebagai sensor radiasi partikel dapat digunakan.
Gambar 6 Theremino Particle Detector
ThereminoParticleDetector
Ketika radiasi sinar partikel mengenai permukaan sensor akan menyebabkan
terbentuknya citra digital hasil interaksi antara partikel dengan pixel-pixel dioda membentuk
titik atau lintasan cahaya. Citra digital tersebut dapat direkam dengan menggunakan webcam
dan software ThereminoParticleDetector. Perangkat lunak tersebut melakukan integrasi
gambar sehingga mencapai semacam "paparan panjang". Dengan cara ini lintasan partikel
tidak terhapus pada setiap siklus akuisisi tetapi menumpuk frame demi frame, seperti terlihat
pada Gambar 6.
Aplikasi ini memberikan kemungkinan untuk mengatur energi minimum (0-255) agar
tidak menghitung kondisi palsu yang disebabkan oleh noise (kebisingan) sensor CMOS.
Dengan satu kontrol START/STOP dapat memulai dan berhenti rekaman dan penghitungan.
Dengan satu kontrol RESET dapat mengatur ulang waktu integrasi dan perhitungan.
Selama software merekam peristiwa yang disebabkan oleh deteksi radiasi dihitung dan
ditampilkan dalam kotak “Partikel”, waktu perekaman total ditampilkan dalam kotak “Waktu”.
Rasio antara dua nilai berkorespondensi ini untuk kuantitas “Hitungan per detik”, yaitu CPS
(counter per seconds).
Gambar 7 Pengaturan Dan Distribusi Kebisingan
Dalam rangka untuk mendapatkan hasil terbaik disarankan untuk mengatur Webcam
dengan parameter yang ditunjukkan pada gambar samping. Parameter berikut adalah
penting:
Resolusi=640x480
Paparan=-7(sesuaidengan1/10s)
Gain=255
Tajam=255
Perlu juga disesuaikan dengan parameter "energi minimum", digunakan untuk
mengecualikan dari survei peristiwa karena noise (kebisingan) dari sensor CMOS. Dari studi
literatur distribusi noise memiliki tren eksponensial, seperti yang terlihat dalam gra�ik
semilog disajikan di Gambar 7. Dengan menetapkan batas ini dengan nilai-nilai yang terdiri
antara 5 dan 20 sebagian besar dari noise (kebisingan) dapat dibatalkan.
Pengukuran
Pengukuran telah dibuat dengan menempatkan sumber yang dekat dengan Webcam,
Gambar 8 menunjukkan setup khas digunakan. Sumber-sumber umum berikut telah
digunakan:
• Mantel gas Thoriated
• Uranium glaze (FiestaWare)
• Radium jam tangan
• Uraninit
• Isotop Amerisium 241 dari sensor asap
• Isotop Cesium 137 - lisensi dibebaskan kuantitatif kecil
• Isotop Sodium (Natrium) 22 - lisensi dibebaskan kuantitatif kecil
• Isotop Strontium 90 - lisensi dibebaskan kuantitatif kecil
Gambar 8 Pengukuran dan Jenis-Beroperasi Sumber radiasi Nuklir.
Gambar 9 Pengamatan radiasi alpha
Amerisium241
Amerisium adalah suatu unsur kimia dengan nomor atom 95. Simbol Its adalah Am.
Amerisium adalah elemen logam sintetis dari keluarga aktinida, diperoleh dengan
membombardir plutonium dengan neutron. Meluruh alpha di neptunium - 237 dengan waktu
paruh sekitar 400 tahun, di pembusukan yang juga memancarkan radiasi gamma di sekitar
59keV dan 26keV.
Sumber = amerisium (241 Am) 1μCi Waktu = 3600s
Partikel = 1211 CPS = 0336
Sensor CMOS tidak mendeteksi alpha partikel, sehingga poin yang Anda lihat dalam
gambar adalah karena sinar gamma yang dipancarkan oleh sumber amerisium 1μCi atau
dengan elektron sekunder.
Cesium137
Cesium-137 memiliki waktu paruh sekitar 30,17 tahun. Sekitar 95 persen meluruh oleh
emisi beta ke isomer nuklir metastabil barium: barium-137m (Ba-137m). elektron Beta
memiliki energi maksimum 512keV untuk 94% dan dari 1,174MeV untuk 5,4%, ada foton
gamma di 662keV.
Sumber = Cesium (137Cs) 0,25μCi Waktu = 3600s
Partikel = 1364 CPS = 0379
Jejak Panjang = 20px * 6μm = 120 m
Sensor CMOS mendeteksi radiasi beta dipancarkan oleh peluruhan cesium. Dalam
gambar samping Anda melihat gambar diperbesar dari jalur elektron.
Gambar 10 Pengamatan radiasi emisi saham beta
Gambar 11. Hasil temuan pengamatan lintasan radiasi beta berupa interaksi dengan elektron
Sodium(Natrium)22
Isotop Na-22 meluruh (di 99,95% kasus) dengan paruh 2,6 tahun, dengan emisi positron
atau menangkap elektron untuk keadaan tereksitasi pertama 22Ne 1274 MeV (yang kemudian
relaks dengan memancarkan gamma foton). Positron yang dipancarkan oleh sumber pada
energi 544keV. Ketika mereka memusnahkan, mereka menghasilkan dua foton gamma energi
0,511 MeV setiap.
Sumber = Strontium (90Sr) 0,1μCi Waktu = 3600s
Partikel = 4971 CPS = 1,38
Jejak Panjang = 33px * 6μm = 198 m
Sensor CMOS mendeteksi radiasi beta dipancarkan oleh peluruhan strontium. Dalam
gambar samping Anda melihat gambar diperbesar dari jalur elektron.
Gambar 12. Pengamatan radiasi sinar Gamma.
gambar 13. Hasil pengamatan lintasan sinar Gamma.
Thorium90
Thorium adalah suatu unsur kimia dengan simbol Th dan nomor atom 90. Sebuah logam
aktinida radioaktif, thorium adalah salah satu dari tiga unsur radioaktif yang masih terjadi
dalam jumlah di alam sebagai unsur primordial (dua lainnya makhluk bismut dan uranium).
Rantai peluruhan thorium menghasilkan alpha partikel, partikel beta dan radiasi gamma.
Secara khusus, partikel beta yang dipancarkan ditandai dengan energi cukup tinggi.
Sumber = Thorium (mantel gas) Waktu = 3600s
Partikel = 988 CPS = 0274
Jejak Panjang = 26px * 6μm = 156 m
Sensor CMOS mendeteksi radiasi beta dipancarkan oleh peluruhan thorium. Dalam
gambar samping Anda melihat gambar diperbesar dari jalur elektron.
Gambar 14. Pengamatan sinar Beta energi Tinggi.
Gambar 15. Hasil pengamatan radiasi sinar Alfa Dan Beta energi Tinggi (Thorium)
Uranium-uraninit
Uranium adalah suatu unsur kimia dengan simbol U dan nomor atom 92. Ini adalah
logam putih keperakan dalam seri aktinida tabel periodik. Sebuah atom uranium memiliki 92
proton dan 92 elektron, dimana 6 adalah elektron valensi. Uranium adalah lemah radioaktif
karena semua isotop yang tidak stabil (dengan paruh dari 6 isotop alami dikenal, uranium-
233 ke uranium-238, bervariasi antara 69 tahun dan 4,5 miliar tahun). Isotop yang paling
umum dari uranium yang uranium-238 (yang memiliki 146 neutron dan menyumbang hampir
99,3% dari uranium yang ditemukan di alam) dan uranium-235 (yang memiliki 143 neutron,
akuntansi untuk 0,7% darielemen ditemukan secara alami). Uraninit atau bijih uranium
adalah bijih yang sangat radioaktif, salah satu sumber utama uranium.
Sumber = Uranium Oksida (uraninit) Waktu = 3600s
Partikel = 1074 CPS = 0298
Jejak Panjang = 40px * 6μm = 240 m
Sensor CMOS mendeteksi radiasi beta dipancarkan oleh peluruhan uranium. Dalam
gambar samping Anda melihat gambar diperbesar dari jalur elektron.
Gambar 16. Pengamatan radiasi sinar Alfa Dan Beta energi Tinggi (Uranium)
Gambar 16. Hasil pengamatan radiasi sinar Alfa Dan Beta energi Tinggi (Uranium)
Radium
Radium adalah unsur kimia dengan simbol Ra dan nomor atom 88. Ini adalah elemen
keenam dalam kelompok 2 dari tabel periodik, juga dikenal sebagai logam alkali tanah. Warna
radium murni hampir murni putih, tapi mengoksidasi dengan mudah bila terkena udara dan
menjadi hitam. Semua isotop radio yang sangat radioaktif, yang lebih stabil adalah radio -
isotop 226, yang memiliki paruh 1600 tahun, dan meluruh menjadi radon.
Sumber = Radium jam tangan Waktu = 3600s
Partikel = 4464 CPS = 1,24
Jejak Panjang = 56px * 6μm = 336 m
Sensor CMOS mendeteksi radiasi beta dipancarkan oleh peluruhan radium. Pada gambar
di atas Anda melihat gambar diperbesar dari jalur elektron.
Gambar 17. Pengamatan radiasi Radium
CosmicRays
Dengan sensor Webcam dapat dilakukan survei dari muon kosmik. Hanya menaruhnya
horisontal sehingga memaksimalkan permukaan sensitif dan mengambil eksposur yang
berlangsung berjam-jam. Dua gambar di bawah relatif ke dua pengukuran:
pengukuran pertama: 0,00156 CPS = 0,0939 CPM
pengukuran kedua: 0,00082 CPS = 0,0492 CPM
Dua pengukuran setuju satu sama lain. Aliran teoritis ke permukaan 9,45 mm2, dengan
mempertimbangkan fakta bahwa “normal” aliran dari 1 CPM untuk wilayah 1cm2, sekitar
0,0945 CPM. Langkah-langkah yang sedikit lebih rendah dari "teori" nilai karena fakta bahwa
permukaan sensitif dari sensor CMOS secara signi�ikan kurang dari "nilai geometris".
Gambar 18. Pengamatan 1 dan 2 radiasi kosmik
ElektromagnetikCascades
Dengan Webcam sensor Anda dapat membuat pengukuran pada kaskade
elektromagnetik yang dihasilkan dalam bahan kepadatan tinggi, seperti timah. Gambar di
bawah ini menunjukkan setup dari pengalaman: webcam ditempatkan di bawah lembaran
timah dengan ketebalan sekitar 2 cm. "Lunak" komponen sinar kosmik berinteraksi dengan
memimpin, menghasilkan partikel sekunder, elektron dan positron, yang terdeteksi oleh
webcam.
Waktu = 38540s
Partikel = 192
CPS = 0,00498 - Lebih tinggi dari nilai yang diperoleh tanpa lembar memimpin
Gambar 19. Skema pengujian dan hasil pengamatan peluruhan elektromagnetik.
SinarX
Kami menggunakan sensor Webcam untuk melakukan tes dengan generator 15kV X-ray.
Dalam gambar kita melihat detail dari Cam diposisikan di depan jendela depan (berilium) dari
tabung. Cam sensitif, bahkan jika dengan e�isiensi yang rendah, dengan X-ray. Di bawah ini
Anda melihat detail dari beberapa piksel diakti�kan oleh foton X. Kecerahan pixel rendah
karena foton rendah X energi.
Waktu = 84S
Partikel = 557
CPS = 6,6
Gambar 20 Hasilpengamatan sinar-X
Kesimpulan
Pengujian telah menunjukkan bahwa webcam komersial dapat digunakan sebagai
sederhana "biaya rendah" partikel detektor. Kepekaan terhadap partikel alpha, bagaimanapun,
adalah sangat dibatasi oleh lapisan pelindung transparan dari sensor CMOS. Hapus
perlindungan ini akan membuat webcam juga sensitif terhadap radiasi alpha, tapi itu adalah
operasi yang sulit yang mudah mengarah ke sensor istirahat.
webcam ini memiliki sensitivitas yang baik untuk radiasi beta lebih menembus, estimasi
panjang jejak yang ditinggalkan oleh elektron yang terdeteksi oleh sensor, dapat memberikan
informasi kasar pada energi partikel.
Dari tabel di atas dapat dilihat bahwa cesium dan natrium elektron memancarkan beta
dengan energi sekitar 500 keV yang menimbulkan jejak secara signi�ikan lebih pendek dari
strontium, uranium, radium bahwa elektron memancarkan beta dengan energi bahkan lebih
tinggi dari 2-3MeV, Haif tentu saja itu hanya murni perkiraan kualitatif. Webcam juga sensitif
terhadap partikel kosmik seperti muon, namun permukaan kecil dari sensor, membatasi
kemungkinan penggunaan ekstensif. Sensitivitas dari webcam radiasi gamma terbatas,
mungkin karena kemungkinan kecil interaksi dalam area sensitif dari sensor CMOS. Tes
dilakukan baik dengan radiasi gamma pada energi rendah (amerisium 241) dan kedua dengan
sinar-X “aman” di 15KeV. Dari analisis awal tampak bahwa CMOS sensor merespon lebih baik
terhadap radiasi gamma energi rendah (<100keV).